JP2002534625A - トンネルにおける摩擦損失を低下する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 非覆工トンネルまたは起伏のある壁面および／または不規則な断面を有する他のトンネルにおける摩擦損失を低下する方法。トンネルの最大円形開き断面と同様または多少小さい断面を有する可撓性または剛性の管をトンネル内に導入し、連続的にまたは特定の箇所でトンネル壁の一部分に取り付ける。流体の流動中に管内にその外側に比べて超過圧力が発生することを確実にする手段も導入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （背景） 水力発電所用のトンネルは、水の位置エネルギーが電気エネルギーに変換され
るように、水を貯水池から発電所の入口まで輸送するために使用される。水がト
ンネル内を流れるときに、摩擦によって誘発されるエネルギー損失が常に発生す
る。位置エネルギーの一部が失われるので、得られるエネルギーは理論的に獲得
可能なエネルギーより少ない。社会は大きくかつ絶え間なく増加するエネルギー
消費を有し、新しい発電所の不断の必要およびその結果生じる環境破壊につなが
る。従って、エネルギー損失を最小限にすることができれば、これは環境および
社会にとって意味のある利点を有することが明らかである。 例えばノルウェーの多数のトンネルは素掘りされているだけで、特に軟弱な地
帯のコンクリート強化を除いては、コンクリートの覆工または類似物は無い。水
がそのようなトンネルの非常に起伏のあるトンネル壁面近くを流れるとき、摩擦
損失は、それがより平滑な表面に従っている場合よりずっと大きい。

【０００２】 比較的小さい断面積を有するより古いトンネルは、より新しいトンネルに比べ
てより大きい水頭損失を有する。理由は、これらの古いトンネルが今日の状況と
比較して旧弊の基準（より高い金融利息、より高い建設費、およびより低い電力
の価値）に従って寸法を決定されたからであろう。 さらに、状況によっては、例えば発電所の最大放出量を増加することによって
、および／またはより多くの水を発電所に輸送することによって、トンネル内の
水の流量を増加することが望まれ、それは不釣合いに大きい水頭損失を招く。 新しいトンネルを建設するときに、充分に大きい断面積を有し、最大可能に平
滑な表面を有するように穿孔または掘削することによって、水頭損失は低下され
る。さらに、損失はときどき、トンネルのソールをアスファルトまたは類似物で
平滑化することによって低下される。しかし、これらの方法には技術的および経
済的な限界があり、その結果大部分のトンネルで依然として著しい水頭損失が生
じる。発電所のために著しい流量増加が必要になった場合、既存のものと平行に
新しいトンネルを作るか、または既存のものを拡張することが今まではそのよう
な要求の実際的な解決法であった。これらの解決法はどちらも著しい建設費を伴
う。

【０００３】 （目的） 本発明の目的は、水が非覆工トンネルまたは起伏のある壁を有する他のトンネ
ル内を流れるときに生じる摩擦損失を低下することである。さらなる目的は、経
済的であり、据付が容易であり、かつ必要な保守が最小限で済む手段により、こ
れを達成することである。従って、本発明は、不必要な高価な新しい水力発電所
の建設が回避されるように、既存の発電所をその最大限の理論的性能近くまで改
良するのに貢献できる方法を構成する。

【０００４】 （発明） これらの目的は、独立特許請求項１によって定義される方法によって達成され
る。発明の好ましい実施形態は、従属請求項によって定義される。 以下において、全て本発明の枠内に入る様々な実施形態について述べる。 好ましい実施形態によると、管の全長を、関連トンネル用に特別製造された１
つの一体的円筒形ユニットとして、可撓性材料から予め製作することができる。
これは、様々な部品の接合／組立が回避されるという明らかな利点をもたらす。
考えられる不利益は、管の重量が過剰になるかもしれないことである。オイルフ
ェンス(oil booms)に使用されるもののように、延性の好ましくは強化ファブリ
ックを利用することができる。 大きい寸法および重い重量に関係する問題に関連して、場合によっては、適切
な長さの部品に分けて予め製作された可撓性ファブリックの部品から管を組み立
てることが好ましいかもしれない。部品は円筒形に予め形作ることができ、それ
らを溶接など適切な手段によって１つずつ接合して適切な長さにする。代替的に
、部品は矩形にすることができ、その場合、１つまたはそれ以上の矩形の部品を
最初に円筒形ユニットに接合（溶接）することができ、その後、結果的に得られ
た円筒形ユニットを相互に取り付ける。

【０００５】 寸法は、超過圧力の方法によって完成した管がその意図するほぼ円筒形の形状
を得たときに、管がトンネルの規則的（円筒形の）部分をほぼ全体的に充填する
ように選択される。管とトンネル壁との間に多少の空隙があることは明らかであ
り、形状および寸法の変化は起伏のあるトンネル壁面の変化によって異なる。さ
らに詳細に説明する好ましい実施形態によって、この空隙はまた、全ての正常運
転状態中に管が拡張された（円筒形の）状態に維持されるように同時に管内の適
切な超過圧力を維持しながら、限定量の水を輸送するためにも利用される。 正常運転中の管に対する張力は著しく、管をトンネル壁に特定の間隔でまたは
連続的に取り付けることによって、管がトンネルの長手方向に変位するのを防止
する必要がある。しかし、管内の（超過）圧力は常に外側の圧力より高いので、
圧力の変動による張力は回避される。 以下で、添付の図面を参照しながら本発明をさらに詳しく説明する。

【０００６】 図１は、本発明がワンピースの円筒形の可撓性ファブリック１の形で組み立て
られているトンネルの縦断面図を示す。ファブリック１は取付ユニット２によっ
て、ファブリックの周囲を直線に沿って等間隔に、トンネルの「天井」つまりト
ンネルの断面５の最高位置またはその近くに沿って中心に伸長するレール（バー
）３に取り付けられる。その部分のレール３は、ボルト４または同様の取付手段
によってトンネル壁６に取り付けられる。 この取付構成による特定の利点は、トンネル内で持ち上げるなどのために大き
な力を必要とすることなく、ファブリック１（または管）上のその取付機構２が
トンネルの開口でレール上に押し込まれ、そこからトンネル内の正しい位置まで
案内されるので、レール３がファブリックの重量の大部分を組立の最初から支持
することである。

【０００７】 図２は、図１と同じトンネルをトンネルの断面図で示す。すでに指摘した通り
、この種の取付機構は、管がより剛性の管要素で形成される場合でも使用するこ
とができるので、図２の管１は、可撓性または剛性のどちらの管をも象徴するこ
とができる。 ファブリックまたは管が正しく位置付けられているとき、それがトンネルの長
手方向に最小限にのみ動くことができるように、それをトンネル壁に対して固定
することができる。詳細図２ｂは、取付ユニット２およびレール３の好ましい実
施形態を示し、ここで取付ユニット２は、レール３のより下部分に沿って走るよ
うに構成された少なくとも１つのホイール８のみならず、取付ユニット２の第１
垂直フランジにある穴に押し通し、その後レール３の穴に押し通して、最終的に
取付ユニット２の第２垂直フランジにあるねじ穴内にねじ込むことができるよう
に構成された錠ピン９またはボルトをも含む。このようにして、取付ユニット２
は、一旦配置され錠ピンが固定されると、レールに沿って移動することができな
くなる。 言うまでもなく、管を充分に堅固に保持するために必要な場合には、２つ以上
のレールを利用することが可能である。図３に示すように、周囲に沿って等間隔
になるようにトンネルの断面図で見て相互に１２０°離して配置された３つのレ
ールが利用されている。これは、一旦管が最終的に固定されると、特にしっかり
した取付を達成する。一方、それは追加の取付機構を設けるために多数の追加作
業を必要とし、この作業はそれが必要な場合にだけ行われる。また、トンネルの
頂線に沿って１本のレールを使用し、他の取付位置２’には他のより柔軟または
適応性に富む取付構成を使用することも可能である。従って取付機構３’はレー
ルとすることができるが、必ずしもトンネルの天井に沿った取付ユニット２のよ
うに均等にまたは一緒に近接して配置される必要がない、取付ストラップまたは
類似物を使用することもできる。

【０００８】 ファブリックまたは管上の取付ユニット２は、必要な張力を保持することがで
きる任意の種類のものとすることができる。しかし、必要とされる強度に関連し
て、ファブリックまたは管と一体的に形成された取付耳を使用することが好まし
い。 たとえ上述のレールは、それが提供する便利な据付手順のため、管をトンネル
壁に固定する特に便利な方法を構成しても、本発明は、取付機構についての特定
の構成法に限定されない。剛性ボルトおよび可撓性ストラップまたはそのような
手段の組合せを含め、どのような既知の取付手段も本発明の範囲内に該当すると
みなされるものとする。これによって、たとえこれがしばしば最も便利であると
しても、取付箇所を一線上に配置することも必須ではないことを理解されたい。 可撓性ファブリックの使用は、組立に関連して多くの利点をもたらすことを理
解されたい。輸送のために必要とされる小さい空間に加えて、その他にトンネル
壁と管との間の空間が小さい場合にはファブリックを容易に片側に曲げることが
できるので、例えば取付に関連して、ファブリックとトンネル壁との間に作業員
のための空間が常にある。 別の態様は、トンネルが主として規則的な円筒形からかけ離れた特定の異常な
不規則形状を有する場合、トンネル内の単一の狭い箇所のために管全体を細く必
要が無いように、剛性のものより可撓性の管で特別な解決法を適応させる方がよ
り容易である。

【０００９】 別の状況では、図４に示すように一般的に剛性の管構造を形成するために集め
られたより剛性の管要素から成る管を利用することが有利であるかもしれない。
その利点は、組み立てられた構造がいっそう動きにくくなり、トンネル壁への取
付箇所が少なくて済み、空になった場合につぶれないことである。一方、それは
すでに述べた可撓性の管の特定の利点には欠ける。剛性の管はトンネル壁に固定
することが必要であり、これは主として可撓性の管の場合と同様に達成される。 剛性管要素は、図４ａに示すように円筒形要素１’の形を有することができる
が、円筒壁の一部だけ、例えば半分から成る要素を使用することがしばしばより
実際的である。（図４ｂ参照）。これは、輸送に必要とされる空間のため、およ
び要素をトンネル内に運び込み、それらを限定された空間の下で正しい位置に組
み立てて、固定することに関連する問題のためである。円筒壁の一部分だけを構
成するシートの場合、さらに様々な実施形態がある。そのような要素は、非常に
限定された程度にだけ形状を変えることができる非常に剛性な構造の湾曲板の形
を取るか、または少なくとも一方向に曲げることができ、拘束されない形では平
坦な矩形の形状を取る超薄壁シートの形を取ることができる。一旦、この後者の
カテゴリのシートを所望の円筒形に屈曲し、両側を隣接するシートと組み合わせ
ると、それは剛性壁構造の一部となるので、その移動の自由度が非常に制約され
る。 トンネルにおけるそのような管の使用に関連する一般的問題は、特に可撓性フ
ァブリックで作られている場合、時々管内に圧力サージが発生することである。
管は、つぶれること無く、そのようなサージに耐えることができなければならな
い。以下で、この問題を処理するいくつかの方法を述べ、それらは全て、外側の
圧力と比較して管内に特定の超過圧力を形成し維持する共通の特徴を共有してい
る。

【００１０】 そのような超過圧力を得るための最も好ましい方法を図５ａに示し、それは、
管１の入口間近の上流に、例えば金属またはコンクリートで形成された永久隘路
１０を形成することを含み、それは管のすぐ上流で再び、隘路後に最小限の乱流
で流れが起こることを確実にする平滑で均等な円錐部１２によって、管の断面形
に拡張される。さらに、隘路の壁を貫通する開口１３は、特定の量の水をその内
側からその外側に通過させ、そこから管の外側に沿ってトンネル壁と管との間に
流れさせる。しかし、主要な量の水は隘路１０を通過して管１の中を流れ、この
流れの速度は管内より隘路の方が高くなる。 水が最も狭い断面部を通り隘路の円錐形の部分１２を通過するときに、速度は
多少低下し、これはその運動エネルギーの一部が圧力エネルギーに変換されるこ
とを意味し、これは再び、管内の圧力が外側より多少高いことを意味する。狭隘
の程度は、この圧力がどのくらい高くなるかを決定する。この構成は、各々の関
係事例における要求に関連して適応させることができる。タービンを調節すると
きに発生するかもしれない変動のため、両方向の流れが得られるように超過圧力
を維持できることが便利または必要であることに注意されたい。さらに、超過圧
力は、タービンが空転するときの速度（通常速度の約２倍）までの様々な水の流
速のための超過圧力が得られるはずである。水の逆流中に超過圧力を維持するこ
とができるためには、管の下流に、上流のもの１２と同様の隘路１１を使用する
ことができる。管の外側の水の速度は、水頭損失が内側と外側で等しくなるよう
に自動的に適応される。実際的には、これは、速度が管の内側より外側の方がず
っと遅くなることを意味するが、外側の空間は少なくとも全流量に対し特定の寄
与をする。 しかし、本発明に従って必要な管内の超過圧力を提供する他の方法がある。１
つの代替例は、管の上流および下流にポンプ１４を配置することであり（図５ｂ
参照）、それらは両方とも管内に揚水することを目的とし（破線は揚水の方向を
示す）、それは管の下流のポンプが一般流動方向とは逆流する方向に揚水するこ
とを意味する。この構成は、ポンプ間に局所的な超過圧力を提供する。この解決
法の不利な点は、それが機械的な可動部品に依存し、それは作動するためにエネ
ルギー供給を必要とすることである。

【００１１】 さらなる代替実施形態を図５ｃに示す。これは、管の入口および出口端に小さ
いチューブ１５を配置することから成る。チューブ１５の各々の一端は管１の壁
を通って一般的に垂直方向に導かれ、管１に回転可能に軸支される。水流を逆転
する能力が必要ない場合には、チューブを回転可能に軸支する必要はない。チュ
ーブは断面が、本発明による管１より実質的に小さい。チューブは、その自由端
が主として管１内の流動方向と平行になるように、ほぼ９０°曲げられる。水流
がチューブに加える力のため、それらは流動方向を向くように調節される。チュ
ーブのすぐ下流に、相対的過少圧力があり、これはチューブ１５を通して管の外
側に運ばれる。 局所的超過圧力を提供する最も洗練された信頼できる方法は、図５ａに関連し
て述べた隘路から成る。この実施形態のいくつかの変形を、状況に応じて導入す
ることができる。最初に述べた代替例では、管の外側に微小な水流を許容しなけ
ればならないことを示唆した。長いトンネルの場合、トンネル内の異なる領域で
超過圧力を制御するために、都合のよいように間隔をおいて配置された２つ以上
の隘路を適用することが望ましいかもしれない。限定された長さの管内で超過圧
力を維持することが必要な場合には、１つだけの隘路を使用することができる。
この代替例では、管の外側には流れが無い。水流が常に一方向である場合、管の
外側の空隙は、図５ｄに示すように小管コンジット１６によってさらに下流の低
圧地点に接続することができるので、管の内部で相対的超過圧力が得られる。（
図５ｄで、流れの方向が右から左であることに注意されたい）。 管材が剛性板または可撓性ファブリックのどちらで構成されるかにかかわらず
、管の表面、および特に内側を向いた側面は、できる限り平滑かつ無摩擦でなけ
ればならない。これは主として、材料の選択およびトンネル内で組み立てる前と
同様の材料の表面処理の問題である。それはまた、例えばカビ等の成長を防止す
るための特定の方法による材料の処理にも関連する。しかし、これは本発明の核
心に関連する二次的な考慮事項であり、その核心は、非常に一貫した均等な形状
を持ち、好ましくはほぼ円周断面を持つ管形の本体をトンネル内に配置すること
である。たとえ断面は常にトンネル自体の断面より多少小さくても、摩擦損失の
減少により多くのエネルギーが節約される。

【００１２】 （実施例） 以下で、計算例をあげて、本発明の方法によって達成される節約の大きさを示
す。この実施例は、毎秒１５０ｍ³の水を輸送する５０ｍ²のトンネルをベースと
する。この実施例は、本発明の利用によって約３／４の摩擦損失が回避できるこ
とを示す。実施例がまた示すように、トンネルの大きさが当初決められたときの
ものに比べて流量を増加する必要がある場合、節約はより大きくなる。水の流量
が毎秒１００ｍ³の場合、節約はトンネル１ｋｍ当たり２．７Ｇｗｈとなるが、
一方毎秒１２０ｍ³では、節約はトンネル１ｋｍ当たり４．７Ｇｗｈとなる。（
１Ｇｗｈは、ノルウェーにおける通常の一戸建家屋で約４０戸分の年間エネルギ
ー消費量に相当する）。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に従って円筒形ファブリックの取付／組立をどのように行うことができ
るかを示すトンネルの縦断面図である。

【図２】 ａは図１で示したトンネルの断面図、ｂは本発明の好ましい実施形態による管
を固定するための詳細図である。

【図３】 トンネルの「天井線」に沿ったものに追加の固定箇所を加えた、図２ａの代替
実施形態を示す断面図である。

【図４】 ａ及びｂは管が一般的に剛管構成に組み立てられた、より剛性のセクションか
ら形成される代替実施形態を示す断面図である。

【図５】 ａは管１内の超過圧力に寄与するために、管のすぐ上流およびすぐ下流でトン
ネルの断面を多少狭くした、本発明の好ましい実施形態の縦断面図、ｂ〜ｄは管
１内の超過圧力を維持するための様々な方法を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１ 円筒形の可撓性ファブリック（ファブリック、管）、１’円筒形要素、２
取付ユニット、２’取付位置、３ レール（バー）、３’取付機構、４ ボルト
、５ トンネルの断面、６ トンネル壁、８ ホイール、９ 錠ピン、１０ 永
久隘路（隘路）、１１ 隘路、１２ 円錐部（円錐形の部分）、１３ 開口、１
４ ポンプ、１５ チューブ、１６ 小管コンジット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｕ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ， ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，Ｌ Ｋ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ， ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，Ｔ Ｍ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トンネルの最大円形開き断面と同様、またはそれより多少小
   さい断面を有する可撓性または剛性の管をトンネル内に導入し、前記管を連続的
   にまたは特定の箇所でトンネル壁の一部分に取り付け、流体の流動中に前記管内
   にその外側に比べて超過圧力が発生することを確実にする手段を導入することを
   特徴とする、非覆工トンネルまたは起伏のある壁表面および／または不規則断面
   を有する他のトンネルの摩擦損失を低下する方法。
2. 【請求項２】 前記管の材料が、好ましくは平滑な表面を有する可撓性の合
   成ファブリックから選択されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記管が、比較的低重量の剛性の薄壁管要素から実質的に剛
   性構造に組み立てられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 【請求項４】 トンネルの前記管の入口端の上流に永久隘路を導入すること
   によって前記超過圧力を得ること、および流速が前記隘路から徐々に低下し、運
   動エネルギーの一部が圧力エネルギーに変換されるように、断面を前記箇所から
   前記管の完全な断面まで徐々に増加し、前記隘路は圧力の変動による動的張力を
   回避するような寸法にすること、および前記管が可撓性材料で作成された場合、
   管をほぼ円形の断面に拡張した状態に保持すること、および前記隘路に開口を設
   けて限定量の水を隘路の内側から管の外側に流出させることを特徴とする、請求
   項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. 【請求項５】 正常運転中に水の微小流量が管の外側で維持されるように、
   前記管の上流の隘路に相当する隘路を管の下流にも導入することを特徴とする、
   請求項４に記載の方法。
6. 【請求項６】 前記管を前記管またはファブリック上の取付ユニットによっ
   てトンネル壁の上部分に沿って特定の箇所に、またはほぼ連続的に取り付け、前
   記ユニットを再びトンネル壁の上部分に固定されたレール、または同様の設備に
   取り付けることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 【請求項７】 前記管上の取付ユニットは、組立中および分解中に前記レー
   ル設備に沿って移動可能であるが、それらは別個の位置にまたは前記レール設備
   に沿って永久的または一時的に固締することができることを特徴とする、請求項
   ６に記載の方法。